Вод на основе изменения интенсивности света.

Волоконные брэгговские решетки

Волоконные брэгговские решетки связывают основную моду световода с той же модой, распространяющейся в противоположном направлении. Это означает, что на определенной длине волны распространяющееся по световоду излучение отражается от решетки полностью или частично. Свойства этого отражения зависят от параметров решетки. Для однородной решетки длины L коэффициент отражения R на резонансной длине волны _BG выражается как R = th²(kL), где k = pn_modh / _BG - коэффициент связи (n_mod - амплитуда синусоидальной модуляции ПП, h - часть мощности основной моды, которая распространяется по сердцевине световода).

Спектральная ширина резонанса однородной решетки на полувысоте (FWHM) может быть выражена следующим приближенным соотношением:

,

(2)

где a - параметр порядка единицы для глубоких решеток (с коэффициентом отражения R -> 1) и порядка 0.5 для решеток небольшой глубины. Как видно из (2), спектральная ширина зависит не только от длины решетки и ее периода, но также и от амплитуды модуляции ПП n_mod.

На рис. 3 представлены спектральные зависимости коэффициента отражения R и групповой задержки t, рассчитанные для однородных ВБР длиной L = 5 мм. Спектральные характеристики, приведенные на рис. 3(а) и (б), соответствуют решеткам с амплитудой модуляции наведенного ПП n_mod =5·10^-5 и 7.5·10^-4 соответственно. Несмотря на одинаковую длину решеток, в согласии с формулой (2) их спектральная ширина различна и составляет 0.18 нм и 0.64 нм соответственно.

Рис. 3. Спектр отражения R [сплошная кривая] и пропускания [штриховая кривая] однородных брэгговских решеток с различной амплитудой модуляции наведенного ПП: Dn_mod = 5·10^-5 (а), n_mod = 7.5·10^-4 (б). На врезках: схематический профиль ПП, наведенного в решетках

Отметим, что ВБР может быть изготовлена не только с постоянным, но и с изменяющимся по длине периодом. Для подавления боковых максимумов, хорошо заметных в спектрах решеток на рис. 3, ВБР может быть сделана со сглаженным вдоль оси распределением амплитуды модуляции индуцированного ПП.

Резонансная длина волны брэгговских решеток _BG зависит от температуры световода и от приложенных к нему механических растягивающих или сжимающих напряжений. Эта зависимость описывается следующим уравнением:

,

(3)

где T - изменение температуры, е - приложенное механическое напряжение, P_ij - коэффициенты Поккельса упруго-оптического тензора, n - коэффициент Пуассона, a - коэффициент теплового расширения кварцевого стекла, n - эффективный показатель преломления основной моды. Это соотношение дает типичные значения сдвига l_BG в зависимости от температуры ~0.01 нм/К и от относительного удлинения световода ~ 10³ x DL/L (нм).

Методы изготовления брэгговских решеток

В силу малого периода ВБР (L ~0.5 мкм) их, как правило, формируют с использованием интерференционных методов. Так как процесс записи необходимой решеточной структуры может длиться несколько десятков минут, изготовление качественной решетки возможно лишь при высокой стабильности интерференционной картины.

Несмотря на то, что число предложенных схем записи ВБР довольно велико, можно выделить ряд основных принципов их организации.

В первом интерферометре, который использовался для записи брэгговских решеток (рис. 5а), использовалось амплитудное разделение исходного УФ пучка с помощью светоделительной пластины. Пучки затем сводились в области расположения облучаемого световода под определенным углом a друг к другу. Этот угол задает период интерференционной картины и, следовательно, период ВБР.

Рис. 5. Схемы записи брэгговских решеток в интерферометрах с амплитудным (а) и пространственным (б) разделением пучка УФ-излучения

Часто для записи ВБР используют интерферометры с пространственным разделением пучка, которые имеют меньшее количество оптических элементов и, следовательно, большую временную стабильность. Такой интерферометр может быть создан, например, с использованием диэлектрического зеркала, которое делит фронт пучка на две равные части (интерферометр Ллойда, рис. 5б). Перестройка угла a в данном случае осуществляется путем поворота зеркала вместе с закрепленным на нем световодом, что значительно проще в сравнении с тем, как это делается в интерферометре, изображенном на рис. 5а. Отметим, что цилиндрическая линза, используемая в обеих схемах, представленных на рис. 5, служит для фокусировки излучения на волоконный световод (в ряде случаев на его сердцевину), что, как правило, необходимо для увеличения плотности УФ-излучения при записи брэгговских решеток.

Указанные типы интерферометров обладают гибкостью в выборе параметров (период, длина) записываемых решеток, однако требуют высокую пространственную и временную когерентность записывающего излучения.

Запись ВБР через фазовую маску (рис. 6а) значительно снижает требования к когерентности УФ излучения, поэтому часто применяется с использованием недорогих эксимерных лазеров. В этом методе реализуется интерференция между первым и минус первым дифракционными порядками излучения, прошедшего через фазовую маску. Маска, как правило, изготавливается из прозрачного в ультрафиолетовой части спектра кварцевого стекла и имеет определенный рельеф обращенной к световоду поверхности. Рельеф выполнен таким образом, чтобы подавить нулевой и другие порядки дифракции, кроме первого и минус первого, и обеспечить тем самым высокий контраст интерференционной картины. Отметим, что изготавливаемые в настоящее время фазовые маски позволяют записывать структуры ВБР, имеющие переменные по длине период и амплитуду модуляции ПП. Вместе с тем жесткая фиксация возможных параметров ВБР на стадии изготовления маски является одним из основных недостатков указанной схемы.

Рис. 6. Схемы записи брэгговских решеток с помощью фазовой маски: прямая запись (а), запись в интерферометре Тальбота (б)

Перестройку резонансной длины волны ВБР в относительно широких пределах можно осуществить в интерферометре Тальбота соответствующим поворотом дополнительных зеркал (рис. 6б). Отметим также, что для формирования решеток с произвольным распределением индуцированного ПП весьма перспективными являются методы сканирования УФ-пучка относительно фазовой маски.

Лазерные источники, используемые для записи волоконных решеток

Механизмы фотоиндуцированного изменения ПП в кварцевом стекле до сих пор недостаточно прояснены даже для наиболее изученных стекол, легированных диоксидом германия (GeO₂). Однако известно, что для германосиликатного стекла фотовозбуждение германиевых кислородно-дефицитных центров (ГКДЦ) играет инициирующую роль для последующей трансформации сетки стекла, которая сопровождается изменением его ПП. В спектре поглощения германосиликатного стекла доминируют две полосы с максимумами 242 и 330 нм, приписываемые синглет-синглетному и синглет-триплетному поглощению ГКДЦ соответственно. Фотовозбуждение синглетной полосы осуществляется излучением KrF эксимерного лазера (248 нм), второй гармоники аргонового лазера (244, 257 нм), четвертой гармоники Nd³⁺:YAG лазера (266 нм) или второй гармоники лазеров на красителях. Эти источники излучения, как правило, и используются для записи решеток ПП.

Полоса триплетного поглощения на три порядка менее интенсивная, однако она также может быть использована для наведения значительного ПП (~2·10^-4). Сравнительный анализ изменения ПП при синглетном и триплетном фотовозбуждении ГКДЦ показал, что преобладающим механизмом в процессе наведения ПП является трансформация этих центров из возбужденного триплетного состояния вне зависимости от того, какая полоса используется для фотовозбуждения. Привлекательность записи решеток в полосу триплетного поглощения заключается в том, что при этом решетку можно записывать без очистки световода от защитного полимерного покрытия, которое является в значительной степени прозрачным в этом диапазоне спектра.

Отметим, что излучение эксимерных лазеров ArF (193 нм) и F₂ (157 нм) также индуцирует значительное изменение ПП кварцевых стекол, причем не только германосиликатных.

В последнее время увеличилось число публикаций, посвященных записи решеток ПП с помощью лазерных импульсов фемтосекундной длительности. В силу очень высокой интенсивности излучения, создаваемой в импульсе с такой короткой длительностью (~10¹³ Вт/см²) поглощение излучения в этом случае происходит в результате многофотонного процесса, при этом существенную роль может играть зонное поглощение стекла.

Применения волоконных решеток

Фотоиндуцированные волоконные решетки показателя преломления находят широкое применение в различных устройствах волоконной оптики. Прежде всего следует выделить использование решеток в качестве спектрально-селективных элементов в системах волоконно-оптической связи, в различных типах волоконных лазеров и усилителей, а также в системах измерения физических величин.